CN105822519B - 一种利用形状记忆合金驱动的液压泵及其使用方法 - Google Patents

一种利用形状记忆合金驱动的液压泵及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用形状记忆合金驱动的液压泵及其使用方法，该液压泵包括固定支架(1)、第一液压泵体(2A)、第二液压泵体(2B)、双头活塞(3)、第一组形状记忆合金元件(4A)、第二组形状记忆合金元件(4B)、第一组加热器(5A)、第二组加热器(5B)及紧固件(6)。利于加热器交替对两组形状记忆合金元件加热，控制形状记忆合金元件长度变化，带动双头活塞来回移动，实现双向驱动作用。本装置结构简单，原理清晰。形状记忆合金元件受力为纯拉伸，材料利用效率高。和液压系统复合，可以利用液压系统的各种成熟技术，具有通用性。尤其适合于各类仿生机器人的运动驱动。

Description

一种利用形状记忆合金驱动的液压泵及其使用方法
技术领域
本发明涉及液压泵的技术领域，尤其涉及一种利用形状记忆合金驱动的液压泵及其使用方法。
背景技术
形状记忆合金是一种应用较为广泛的智能材料，变形受应力和温度的双重控制，其物理实质是热弹性马氏体相变。当材料温度低于马氏体向奥氏体相变的起始温度时，材料处于马氏体相状态，材料的承载力较低，在外力作用下比较容易发生变形；而对变形后的马氏体相材料升温，直至高于马氏体向奥氏体相变的完成温度点时，材料发生逆相变，转变成奥氏体相，并恢复此前的形状，于此同时，还可以承担较大的负载，对外做功。这就是著名的形状记忆效应，及其驱动原理。利用形状记忆合金的这一原理，现已开发出了形状记忆合金管接头，形状记忆合金空间解锁装置等成熟产品，并得到大量应用。
另一方面，机器人产业，尤其是仿生机器人领域正在蓬勃发展，对各种驱动器有着十分旺盛的需求。形状记忆合金驱动器因为结构简单，控制方便，输出功率大等优点，得到了很大的关注，在机器人驱动领域占据了重要的一席之地。多项专利申请(申请号CN201210044542.X，申请号CN201210041105.2，申请号CN201320458623.4，申请号CN201410353149.8，申请号CN201510440930.3等)介绍了利用形状记忆合金的各类仿生机器人或者驱动器。现有的形状记忆合金驱动器，主要利用形状记忆合金丝材或者螺旋弹簧作为驱动元件：丝材的出力大，效率高，但是行程小；螺旋弹簧的行程大，但效率低，出力小。如何兼顾出力和行程，设计出高效率的形状记忆合金驱动器，具有迫切的现实需求和重大的应用前景。
液压驱动系统是一种成熟的工业技术，通常包括动力元件(液压泵)，执行元件，控制元件，辅助元件及液压油等。如果采用形状记忆合金来驱动液压泵，则一方面可以大大简化液压泵的结构，另一方面又可以利用现有液压系统的相关成熟技术来改善形状记忆合金的驱动性能。有鉴于此，专利申请“运用形状记忆合金的液压泵”(申请号CN95196561.1)，以及“一种液压装置及其用途”(申请号CN00132784.4)都分别涉及了形状记忆合金驱动液压泵的这一想法。这两项申请中，动力元件的设计思路基本一致，即是利用一组形状记忆合金元件和一组弹性元件组成偏动式驱动器，形状记忆合金元件受热时收缩，压缩弹性元件，带动活塞完成吸油动作；形状记忆合金冷却时，弹性元件恢复，拉长形状记忆合金元件，并带动活塞完成排油动作。
现有形状记忆合金液压泵的特点在于只具有单向驱动做功能力，而许用场合如仿生机器人等，则希望其具有双向的做功能力；另外，偏动装置中的弹性元件的出力必须介于形状记忆合金元件的高出力和低出力之间，驱动力(形状记忆合金元件高出力减去弹性元件出力，或者弹性元件出力减去形状记忆合金元件低出力)必然小于形状记忆合金元件高出力和低出力的差，形状记忆合金材料的驱动潜能还没有完全发挥。
发明内容
本发明的目的是提供一种高效的，具有双向驱动做功能力的形状记忆合金液压泵。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种利用形状记忆合金驱动的液压泵，包括固定支架、第一液压泵体、第二液压泵体、双头活塞、第一组形状记忆合金元件、第二组形状记忆合金元件、第一组加热器和第二组加热器；其中，
双头活塞在轴向可以分为三个部分，双头活塞两端各有一个活塞头，双头活塞中间有突出的法兰盘可以与两侧的第一组形状记忆合金元件的一端、第二组形状记忆合金元件的一端分别固定连接；
第一液压泵体、第二液压泵体中每个液压泵体的一端为开口端，第一液压泵体的开口端与第二液压泵体的开口端相对，双头活塞的两个活塞头分别与第一液压泵体、第二液压泵体的开口端的内表面配合，每个液压泵体的另一端的中间有一个油口，每个液压泵体在具有油口的这一端的油口周围还有法兰盘，第一液压泵体的该法兰盘和第二液压泵体的该法兰盘均用于安装固定支架，以及第一液压泵体的该法兰盘用于安装第一组形状记忆合金元件的另一端，第二液压泵体的该法兰盘用于安装第二组形状记忆合金元件的另一端；
第一组形状记忆合金元件、第二组形状记忆合金元件均为拉伸元件；
第一组加热器包覆在第一组形状记忆合金元件的表面，第二组加热器包覆在第二组形状记忆合金元件的表面。
其中，该液压泵还包括紧固件，该紧固件用于紧固固定支架、第一组形状记忆合金元件和第二组形状记忆合金元件。
其中，所述的拉伸元件可以是丝材、带材、绞线或者棒材，在安装前，要先经历一定的预拉伸，安装时一端固定在一个液压泵体的法兰盘上，另一端和双头活塞的法兰盘连接。
其中，第一组加热器和第二组加热器具体的可采用电阻加热，感应电流加热或其它现有的加热方式。
一种利用形状记忆合金驱动的液压泵的使用方法，该利用形状记忆合金驱动的液压泵，一般需要配合双作用执行液压缸使用。双作用执行液压缸的两端各有一个油口，分别通过管道和液压泵的两个油口连接，双作用执行液压缸活塞在两个油口之间运动，并且双作用执行液压缸活塞两侧的有效面积之比，等于与之联通的液压泵双头活塞的两侧有效面积比。使用时，需首先确保所有腔体都被充满液压油，并且密封。初始时，环境温度低于马氏体向奥氏体相变的起始温度，两组形状记忆合金元件均处于低出力状态。通过加热器对某一组形状记忆合金元件加热，该组形状记忆合金元件升温相变发生收缩，转变成高出力状态，因此可以拉长另一组形状记忆合金元件并带动双头活塞往该侧移动，排出该侧液压泵体中的液压油，通过连接管道，推动执行液压缸中的活塞移动，实现驱动功能；于此同时，执行液压缸活塞另一侧的的部分液压油回流到与之联通的液压泵体内。停止加热，形状记忆合金元件冷却到初始状态，再对另一组形状记忆合金元件加热，实现反向驱动。重复上述过程，则可实现连续往复驱动。
该利用形状记忆合金驱动的液压泵，可以同时驱动多个双作用执行液压缸。各个双作用执行液压缸活塞两侧有效面积总和的比值，要等于与之联通的的液压泵双头活塞两侧的有效面积比。
该利用形状记忆合金驱动的液压泵，也可以配合单作用执行液压缸使用。单作用执行液压缸只有一个油口，其活塞复位靠弹簧或者重力作用。使用时，将某一个液压泵体和执行液压缸的油口连接，内部充满液压油，另一个液压泵体内部不充油。交替对两组形状记忆合金元件加热，即可实现单作用执行液压缸的动作和回位。
显然，该利用形状记忆合金驱动的液压泵，也可以同时驱动多个单作用执行液压缸使用，此处不再赘述。
本发明优点和积极效果为：
本装置结构简单，原理清晰。形状记忆合金元件受力为纯拉伸，材料利用效率高。使用两组形状记忆合金元件，实现双向反复驱动。和液压系统复合，可以利用液压系统的各种成熟技术，具有通用性。尤其适合于各类仿生机器人的运动驱动。
附图说明
图1为利用形状记忆合金驱动的液压泵的结构示意图；
图2为与该液压泵配合使用的双作用执行液压缸；
图3为与该液压泵配合使用的单作用执行液压缸；
图中附图标记含义为：1-固定支架，2A-第一液压泵体，2B-第二液压泵体，21A-第一液压泵体的油口，21B-第二液压泵体的油口，3-双头活塞，31A-双头活塞的第一活塞头，31B-双头活塞的第二活塞头，4A-第一组形状记忆合金元件，4B-第二组形状记忆合金元件，5A-第一组加热器，5B-第二组加热器，6-紧固件，7-单作用执行液压缸活塞，7#-双作用执行液压缸活塞，8-单作用执行液压缸油口，8A-双作用执行液压缸第一油口，8B-双作用执行液压缸第二油口，9-弹簧。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1，本发明一种利用形状记忆合金驱动的液压泵，包含固定支架1一套、第一液压泵体2A、第二液压泵体2B、双头活塞3、第一组形状记忆合金元件4A、第二组形状记忆合金元件4B、第一组加热器5A、第二组加热器5B及紧固件6等部分。
双头活塞3在轴向可以分为三个部分，两端各有一个活塞头31A、31B，活塞头31A、31B分别与第一液压泵体2A、第二液压泵体2B的对应部分配合，中间有突出的法兰盘可以与两侧的第一组形状记忆合金元件4A，第二组形状记忆合金元件4B连接固定。
第一液压泵体2A，第二液压泵体2B的一端为开口端，其内表面分别与双头活塞3的活塞头31A和活塞头31B配合，另一端的中间分别有一个油口21A和油口21B，在油口21A的这一端周围有安装固定支架1、第一组形状记忆合金元件4A的法兰盘，油口21B的这一端周围有安装固定支架1、第二组形状记忆合金元件4B的法兰盘。第一液压泵体2A及第二液压泵体2B安装在同一套固定支架1上，开口端相对。
第一组形状记忆合金元件4A、第二组形状记忆合金元件4B为拉伸元件，可以是丝材、带材、绞线或者棒材，在安装前，要先经历一定的预拉伸，安装时一端分别固定在第一液压泵体2A，第二液压泵体2B的法兰盘上，一端和双头活塞3的法兰盘连接。
第一组加热器5A、第二组加热器5B分别包覆在第一组形状记忆合金元件4A、第二组形状记忆合金元件4B的表面，具体的可采用电阻加热，感应电流加热或其它现有的加热方式。
该形状记忆合金驱动的液压泵，一般需要配合双作用执行液压缸使用，如图2。双作用执行液压缸一端有一个油口8A，另一端有一个油口8B，油口8A、油口8B分别通过管道和第一液压泵体2A的油口21A和第二液压泵体2B的油口21B连接。双作用执行液压缸活塞7#在两个油口8A、8B之间运动，并且双作用执行液压缸活塞7#两侧的有效面积之比等于双头活塞3的两侧有效面积比。使用时，首先连接好管道，确保所有腔体都被充满液压油，并且密封。初始时，环境温度低于马氏体向奥氏体相变的起始温度，两组形状记忆合金元件4A，4B均处于低出力状态。例如，通过第一组加热器5A对第一组形状记忆合金元件4A加热，第一组形状记忆合金元件4A升温、相变并发生收缩，转变成高出力状态，因此可以拉长第二组形状记忆合金元件4B并带动双头活塞3往A侧移动，促使该侧的第一液压泵体2A中的液压油从油口21A排出，通过连接管道，从双作用执行液压缸的油口8A进入，推动双作用执行液压缸活塞7#往一侧移动，实现驱动功能；于此同时，双作用执行液压缸活塞7#另一侧的部分液压油通过油口8B，连接管道及油口21B回流到第二液压泵体2B内。停止第一组加热器5A，第一组形状记忆合金元件4A冷却到初始低出力状态，再由第二组加热器5B对第二组形状记忆合金元件4B加热，实现反向驱动。重复上述过程，则可实现连续往复驱动。
该利用形状记忆合金驱动的液压泵，可以同时驱动多个双作用执行液压缸。各个双作用执行液压缸活塞7#两侧有效面积和的比值，要等于与之联通的的液压泵双头活塞3两侧的有效面积比。
其它实施例：该利用形状记忆合金驱动的液压泵，还可以配合单作用执行液压缸使用，如图3所示。单作用执行液压缸只有一个油口8，单作用执行液压缸活塞7复位需依靠弹簧9或者重力作用。使用时，连接某一个液压泵体如液压泵体2A的油口21A和单作用执行液压缸油口8，并将其充满液压油，另一个液压泵体2B内部不充油。交替对两组形状记忆合金元件4A，4B加热，即可实现单作用执行液压缸的动作和回位。显然，该利用形状记忆合金驱动的液压泵，也可以同时驱动多个单作用执行液压缸，此处不再赘述。

Claims (8)

1.一种利用形状记忆合金驱动的液压泵，其特征在于：包括固定支架(1)、第一液压泵体(2A)、第二液压泵体(2B)、双头活塞(3)、第一组形状记忆合金元件(4A)、第二组形状记忆合金元件(4B)、第一组加热器(5A)和第二组加热器(5B)；其中，
双头活塞(3)在轴向可以分为三个部分，双头活塞(3)两端各有一个活塞头，双头活塞(3)中间有突出的法兰盘可以与两侧的第一组形状记忆合金元件(4A)的一端、第二组形状记忆合金元件(4B)的一端分别固定连接；
第一液压泵体(2A)、第二液压泵体(2B)中每个液压泵体的一端为开口端，第一液压泵体(2A)的开口端与第二液压泵体(2B)的开口端相对，双头活塞(3)的两个活塞头分别与第一液压泵体(2A)、第二液压泵体(2B)的开口端的内表面配合，每个液压泵体的另一端的中间有一个油口，每个液压泵体在具有油口的这一端的油口周围还有法兰盘，第一液压泵体(2A)的该法兰盘和第二液压泵体(2B)的该法兰盘均用于安装固定支架(1)，以及第一液压泵体(2A)的该法兰盘用于安装第一组形状记忆合金元件(4A)的另一端，第二液压泵体(2B)的该法兰盘用于安装第二组形状记忆合金元件(4B)的另一端；
第一组形状记忆合金元件(4A)、第二组形状记忆合金元件(4B)均为拉伸元件；
第一组加热器(5A)包覆在第一组形状记忆合金元件(4A)的表面，第二组加热器(5B)包覆在第二组形状记忆合金元件(4B)的表面。
2.根据权利要求1所述的一种利用形状记忆合金驱动的液压泵，其特征在于：该液压泵还包括紧固件(6)，该紧固件(6)用于紧固固定支架(1)、第一组形状记忆合金元件(4A)和第二组形状记忆合金元件(4B)。
3.根据权利要求1所述的一种利用形状记忆合金驱动的液压泵，其特征在于：所述的拉伸元件可以是丝材、带材、绞线或者棒材，在安装前，要先经历一定的预拉伸，安装时一端固定在一个液压泵体的法兰盘上，另一端和双头活塞(3)的法兰盘连接。
4.根据权利要求1所述的一种利用形状记忆合金驱动的液压泵，其特征在于：第一组加热器(5A)和第二组加热器(5B)具体的可采用电阻加热，感应电流加热或其它现有的加热方式。
5.一种利用形状记忆合金驱动的液压泵的使用方法，其特征在于：该权利要求1所述的利用形状记忆合金驱动的液压泵，一般需要配合双作用执行液压缸使用，双作用执行液压缸两端各有一个油口，分别通过管道和该液压泵的两个油口连接，双作用执行液压缸活塞(7#)在两个油口之间运动，并且双作用执行液压缸活塞(7#)两侧的有效面积之比，等于与之联通的该液压泵的双头活塞(3)的两侧有效面积比，使用时，需首先确保所有腔体都被充满液压油，并且密封；初始时，环境温度低于马氏体向奥氏体相变的起始温度，两组形状记忆合金元件均处于低出力状态；通过加热器对某一组形状记忆合金元件加热，该组形状记忆合金元件升温相变发生收缩，转变成高出力状态，因此可以拉长另一组形状记忆合金元件并带动双头活塞(3)往该侧移动，排出该侧液压泵体中的液压油，通过连接管道，推动双作用执行液压缸活塞(7#)移动，实现驱动功能；于此同时，双作用执行液压缸活塞(7#)另一侧的的部分液压油回流到与之联通的液压泵体内；停止加热，形状记忆合金元件冷却到初始状态，再对另一组形状记忆合金元件加热，实现反向驱动；重复上述过程，则可实现连续往复驱动。
6.根据权利要求5所述的一种利用形状记忆合金驱动的液压泵的使用方法，其特征在于：该利用形状记忆合金驱动的液压泵，可以同时驱动多个双作用执行液压缸；各个双作用执行液压缸活塞(7#)两侧有效面积总和的比值，要等于与之联通的的液压泵双头活塞(3)两侧的有效面积比。
7.一种利用形状记忆合金驱动的液压泵的使用方法，其特征在于：该权利要求1所述的利用形状记忆合金驱动的液压泵，也可以配合单作用执行液压缸使用；单作用液压缸只有一个油口，其活塞复位靠弹簧或者重力作用；使用时，将某一个液压泵体和单作用执行液压缸的油口连接，内部充满液压油，另一个液压泵体内部不充油；交替对两组形状记忆合金元件加热，即可实现单作用执行液压缸的动作和回位。
8.根据权利要求7所述的一种利用形状记忆合金驱动的液压泵的使用方法，其特征在于：该利用形状记忆合金驱动的液压泵，可以同时驱动多个单作用执行液压缸。
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